土体微观结构研究进展
浅谈图像分析技术在土的微观结构研究中的应用
仁 ）
Ｉ （ ） ， ＋Ａ ≤ ≤
ＺＡ ＜
Ｚ＜Ｂ
，
（） ２
上式扩展 了 ， ） ＢＩ Ｘ问的灰 度级 ， 但将 小于 Ａ和大 于 曰范 围 内的灰度级分 别压缩为 和 。尽管它使图像中灰度级 在这一 范 围的像素的灰度信息损失了 ， 但在土颗粒显微 图像 中那些过 白 的像素往往是背景部分 。 因此采用式（ ） ２ 更能突出 目标矿物 图像。 上式原本是针对灰度 图像的应用 ， 对于彩色图像只要将红、 、 绿 蓝 ３ 个分量分别运用上式运算 即可。 ２２ 图 像 噪 声 处理 ． 消除噪声在空间域 中通常是由平滑操作进行 ， 多数用领域平 均、 图像平均 、 多 中值滤波 及频率域 中的低通滤波等 。
２ ． 领 域 平 均 ．１ ２
图 １ 微 观 土 颗粒 图像
２ 土颗 粒显 微 图像 增 强基本原 理
２ １ 对 比 度调 整 ．
领域平均 图像不仅平 滑了噪声 ， 而且也平滑图像。当被处理 点为边界点时 ， 领域平均处理后 ， 该点的灰度必然下降 ， 这样将导 致边界模糊 。为克服这个缺点 ， 常采用加权平均 ， 其原则如下 ： ① 给被处理 的像 素较大 的权值 ， 其他像 素的权值较小 ； ②距 被处 理 像素 的远近确定权值 ，距 被处理像素较近 的像素 给予较 大的权 值； ③按和要被处理像 素的灰度接近程度 确定权值 ， 和被 子处 理 像素灰度较近的像 素给予较大 的权值。
中 值 滤波 法 是 １７ 年 由 Ｊｋｙ 出 的滤 波 法 。这 种 方 法 的 ９１ ｕｅ 提 特 点是运算简单 ， 便于实现 ， 而且能较好地保边界 ， 但这种算法易 失掉 图像 细节 和 小块 的 目标 区域 。对 于 给定 的 ｎ个 数 ｆ。 ２ ａ， ， ａ ａ， 将它们按大小有序排列 。当 ｎ为奇数 时 ， 于中间位置 １ 位
湿陷性黄土的工程性质及相关研究进展结课论文
湿陷性黄土的工程性质㈠黄土的基本物理化学性质粒度成分：粒度组成之不同粒径的颗粒在沉积物中所占的比例，通常采用重较明显的关系。
一般情况下，干重度小，孔隙比大时，湿陷性强，反之，干重度大，孔隙比小时，湿陷性弱。
一般来说，在某一定值压力作用下，黄土的孔隙比越大，湿陷性系数也越大。
黄土孔隙比与黄土湿陷性的定量关系仍是需要研究的问题。
含水量：黄土的天然含水量与孔隙比一样是反应黄土的压缩性和湿陷性的非常灵敏的物理性质指标。
黄土的化学性质：黄土的化学性质对黄土力学与工程性质有一定的影响，主要包括黄土的矿物成分、化学成分和成岩作用。
Ⅰ矿物成分黄土的矿物成分包括粗矿物成分（>0.005mm）和粘土矿物成分（<0.005mm）。
Ⅱ化学成分西北地区湿陷性黄土的化学成分中，以SiO2及Al2O3和Fe2O2含量高，是黄土中的主要成分，它们与黄土中的石英和长石等含量高有关。
Ⅲ可溶盐类黄土中可溶盐类主要有以下三类：①易溶盐类，包括氯化物盐类易溶的硫酸盐及碳酸盐等；②中溶盐类，以石膏为代表；③难溶盐类，主要为碳酸钙。
黄土中的水溶盐类含量的多少，对黄土的工程性质有很大的影响。
成岩作用：黄土在原始物质堆积后，即开始成岩作用，首先进行黄土化作用，及在生物及气候的共同作用下，使粉土物质成疏松的胶结状态，并保留了粒间孔隙及根洞、虫孔及鼠穴等较大的空洞。
当沉积层逐渐加厚，由于自重应力及碳酸盐的淋滤下富集，呈现出沉积时代越老，压实及胶结程度越深。
㈡黄土的工程力学性质湿陷性黄土的力学性质：湿陷性黄土的力学性质主要包括压缩性，湿陷性，抗剪强度、透水性等。
1.压缩性反映地基土在外荷载作用下产生压缩变形的大小。
对湿陷性黄土地基而言，压缩变形是指地基土在天然含水量条件下受外荷载作用时所产生的变形，它不包括地基土受水浸湿后的湿陷变形。
一般在中更新世末期和晚更新世早期形成的湿陷性黄土多为中等偏低，少量为低压缩性土；晚更新世末期和全新世黄土多为中等偏高，有的甚至为高压缩性土，新近堆积黄土的压缩性多数较高。
支护结构上水土共同作用的微观机理研究
第 １ 期
蒋希雁 ，等 ：支护结构上水土共 同作用 的微观机理研 究
２ ３
着与颗粒表面距离增加而减弱 ．较为形象、直观 的模 式是前 苏联学者 Ｐ ． Ｉ ４ ． 兹洛切 夫斯基卡娅基 的结构图 该学者基于结合水的性质和形成机理 ， 将粘性土
１试验 微观分析
１ ． １ 土体 中 的孔 隙
文献 ［ １ ３ ］对具有天然原状结构的粘性土进行 孔隙分布试验 ，粗 略将土中孔隙分为 ５ 类 ：①大孔隙， 孔径 ｄ＞８岬 ，包括孤立孔隙和部分连通的粒问孔隙，内含结合水和 自由水 ，后者 占主导地位 ；②中孑 Ｌ 隙，孔径 ３ ｇ ｍ ≤ ｄ＜８ ｇ ｍ ，以粒间孔隙为主 ，包括部分大孔隙压缩转换而来的孔隙 ，孔隙直径大 ， 连通 性 好 ，对 土 的压 缩性 及 渗 透 性 影 响显 著 ，孔隙 水 以 自由水 为主 ，结合 水 次 之 ；③ 小 孔 隙 ，孔径 ０ ． ３ ｇ ｍ ≤ ｄ＜３ ， 含 部 分 粒 内 孔 隙 以 及 由 上 两 级 孔 隙 压 缩 后 的 孔 隙 ；④ 微 孔 隙 ， 孔 径
无粘性土 由于颗粒粗大 ， 颗粒表面没有 电性 ，比表面面积小 ，孔隙水的存在形式是 自由水，孔隙水之 间互相连通 ，能 自由传递应力 ．在粘性土中 ， 粘粒的含量和类型对土的性质起着决定性 的作用 ． 粘粒粒径 般小于 ２ ～ ５ ｍ， 颗粒表面带有负 电荷 ，比表面积大 ， 孔隙水受粘粒表面 电性吸引， 形成双 电层 ， 孔隙水 受 土粒 表 面双 电层 的影 响程度 分为 强结 合水 、弱 结合 水 、毛细 水、重 力 水 ４种 形 式 ．前 ２种 合称 结合 水 ，
支护结构上水土共 同作用 的微观机理研究
蒋希雁 ，周若 雯
（ １ ．河北建筑 工程 学院土木工程 学院，河 北 张家 口 ０ ７ ５ ０ ２ ４ ；２ ． 河 北省第 四建筑工程有 限公司 ，河北 石家庄 ０ ５ ０ ０ ０ ０ ） 摘要 ： 为解决水土压力合算和分算 的争议 ，从理论 上证 明粘性 土水土合算在某 些情况下 的合理性 ， 基于微观层 面分析 了土 中 孔隙及土中水的类型及特征 ， 研究 了水土共 同作用的微观机理 ， 建立 了临界重度 方程及估算公式 ，给出了粘性 土传递 孔隙水 压力的判别公式 ；选取不同地 区粘性 土 ， 进行重 力失 水试 验 ， 试 验结果表明 ：试验值 与公式计算值差 异很小 ，试验验证 了公
石灰改良滨海相盐渍土强度形成微观机理研究
不 浸水无 侧 限抗６ ∞ 压 ∞ ５ 强度 ∞ ４ 指标见 ∞ ３ ∞ ２ ∞ １ 表 Ｏ ３ 。
２ ． ３ 微 观参 数与 强度 指标 的关 系
按 照 改 良盐渍 土微 观 结 构 Ｓ Ｅ Ｍ 图像 特 征 参 数
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提取操 作 步骤 ， 提 取 的改 良盐 渍 土 微 观 结 构 图 像 特
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微 观指标 与 改 良盐渍 土 的强度 指标具 有较 好 的相关
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性， 随着颗粒 椭 圆度 、 颗粒 个数 、 孔 隙个数 、 孑 Ｌ 隙等效 圆直径 、 孔洞 率 的降低及 颗粒 等效 圆直径 的提高 ， 改
的颗 粒个 数越少 ， 颗 粒 更 趋 向于 圆形 ， 颗 粒越 大 ， 改
量
良盐 渍土 的强度 越 高 。 （ ３ ）改 良盐 渍 土 内的孔 隙 特性 对 其 抗 压 、 抗 剪
石灰 剂 量
特性 有直 接影 响 ， 单 位 体 积 改 良盐渍 土 的孔 隙 个数
越少 ， 孔 隙越小 ， 孔 隙 越趋 向于 扁 长 ， 改 良盐 渍 土 的
２ ． ４ 浸水 前后 改 良盐渍土 微 观参数 的 变化
为 了分 析水 对 改 良盐 渍 土微 观 结 构 的影 响 ， 对
第 ５期
１ ２８
２ ０ １ ３年 ９月
浸水 前后 改 良盐 渍土 的微 观参数 进行 提取 。改 良盐
理 进行 了定量分 析 ， 所得结 论如 下 ：
渍 土浸水前 后颗 粒参数 与孔 隙参 数见 图 １ ３ ～１ ４ 。 — １ ）改 良盐渍 颗 粒个 数 、 颗 粒 ８Ｈ 一 、 脚 庭 （ 一 Ｂ ｄ Ｗ ， 想 一 ｇ 土 的颗 粒椭 圆度 、 等 效 圆直 径 、 孑 Ｌ 隙个 数 、 孔 隙等 效 圆 直径 、 孔 洞 率 等
浅议工程地质学的成就与发展
浅议工程地质学的成就与发展摘要：工程地质学是研究与工程建设有关的地质问题的科学。
它的任务是为各类工程建筑的规划、设计、施工提供地质依据，以便从地质上保证工程建筑的安全可靠、经济合理、使用方便、运行顺利。
本文简要回顾了我国工程地质学的成就，并对未来的发展作以展望。
关键词：工程地质学；成就；发展工程地质学是研究与工程建设有关的地质问题的科学。
它的研究对象是地质环境与工程建筑二者相互制约、相互作用的关系，以及由此而产生的地质问题，包括对工程建筑有影响的工程地质问题，和对地质环境有影响的环境地质问题。
它的任务是为各类工程建筑的规划、设计、施工提供地质依据，以便从地质上保证工程建筑的安全可靠、经济合理、使用方便、运行顺利。
1 我国工程地质学的发展历程20世纪60年代，工程地质的实践，积累了大量资料和一定的实际经验，学科进入独立发展阶段，各建设部门制定自己的勘察规范，以山区工程建设为主，对工程地质提出更高的要求，岩土测试技术提高，定量评价有所发展。
2 工程地质勘察质量不断提高工程地质的任务就在于为工程建筑进行工程地质勘察，认识拟建工程所在地区的工程地质条件，为建筑的位址选择和设计、施工提供地质依据。
国家规定的基建程序是：任何工程建设不进行勘察工作就不准设计，没有设计不准施工。
这就赋予了工程地质重大而光荣的职责，避免了不顾地质条件是否适宜而盲目兴建工程给国家造成的损失。
建筑设计分为可行性研究、初步设计、技（术）施（工）设计等阶段，工程地质勘察也随之分阶段进行，对工程地质条件的了解愈来愈深入，这是完全符合认识规律的。
建筑位址的选择具有战略意义，起着充分利用有利的地质条件、避开不利条件的作用。
位址选得好，不但能保证工程的安全，而且工程处理也较简单，经济上合理。
位址的地质选择只是一个方面，还要看政治、经济等方面的因素，最后综合考虑选定。
我国的各类工程、铁路公路、水利水电、城乡建设、工业、国防、矿山、港口等建筑，尤其是大型建筑，都是先做了反复的工程地质勘察工作才进行设计、施工、修建完成的，因而基本上没有因为地质问题而失败。
3-第三章土的结构和土体结构
所以，对于具有单粒结构的土体 ， 一般情况 ( 静荷载 所以 ， 对于具有单粒结构的土体，一般情况( 作用)下可以不必担心它的强度和变形问题。 作用)下可以不必担心它的强度和变形问题。
第三节 土的结构类型及研究方法
Hale Waihona Puke 二、细粒土的微观结构类型细粒土是集粒结构， 细粒土是集粒结构，即数个矿物晶体较牢固地聚合 在一起，在受到外力作用时， 在一起，在受到外力作用时，像一个颗粒那样起着 独立的作用。 独立的作用。 集粒有团聚体、絮凝体、团粒体、叠片体、 集粒有团聚体、絮凝体、团粒体、叠片体、凝块体 等形状。 等形状。
第三章 土的结构和土体结构
颗粒的大小、形状及表面特征 结构类型 结构类型： 颗粒的大小、形状及表面特征→结构类型：
粗大颗粒－－孔隙大而数量少； 粗大颗粒－－孔隙大而数量少； －－孔隙大而数量少 细小颗粒－－孔隙率大，但单个孔隙小 细小颗粒－－孔隙率大， －－孔隙率大 有棱角、片状、表面粗糙的颗粒－－结构松散、 －－结构松散 有棱角、片状、表面粗糙的颗粒－－结构松散、 透水性强； 透水性强； 细小颗粒、浑圆状的颗粒则相反， 细小颗粒、浑圆状的颗粒则相反，形成较紧密 的结构
第一节 土的结构连结
二、按连结力的性质分类
1、化学连结 、 2、静电连结 、 3、离子－静电连结 、离子－ 4、毛细力连结 、 5、分子连结 、 6、磁性连结 、
第二节 土的排列方式与孔隙类型
排列－－指土颗粒间排列组合关系， 排列－－指土颗粒间排列组合关系，即土颗 －－指土颗粒间排列组合关系 粒排列的松紧程度。 粒排列的松紧程度。 一、粗粒土的排列方式与孔隙类型
具有集合体结构的土体的特征
孔隙度很大(可达50％ 98％ 孔隙度很大 (可达 50％ -98％ ) ， 而各单独孔隙的直径 很小。特别是聚粒絮凝结构的孔隙更小，但孔隙度更大。 很小。特别是聚粒絮凝结构的孔隙更小，但孔隙度更大。 因此，土的压缩性更大； 因此，土的压缩性更大； 含水量很大，往往超过50％ 而且因以结合水为主， 含水量很大，往往超过50％，而且因以结合水为主， 排水困难，压缩过程缓慢； 排水困难，压缩过程缓慢； 具有大的易变性-不稳定性：外界条件变化(如加压、 具有大的易变性 -不稳定性 ： 外界条件变化 (如加压 、 震动、干燥、浸湿以及水溶液成分和性质变化等) 震动 、干燥 、 浸湿以及水溶液成分和性质变化等 )对它 的影响很敏感，且往往使之产生质的变化。 的影响很敏感，且往往使之产生质的变化。故集合体结 构又称为易变结构。例如， 构又称为易变结构。例如，软粘性土的触变性就是由于 这类结构的不稳定性而形成的一种持殊性质。 这类结构的不稳定性而形成的一种持殊性质。
压汞试验技术研究黏性土微观孔隙分布特性
２ １ ． ９ ， ％； 液限 ３ ８ ． ９ ４ ６ ； 塑限 ２ Ｏ ． ４ ３ １ ４ ．
下的饱 和 土微 观 结构 的研 究 ］ ， 但 是 这 些 常规 的研
（ １ ）
式 中： Ｐ为进 汞压 力 ， ＭＰ ａ ， ｙ为汞 表面 张力 ， 此试验 中为 ０ ． ４ ８ Ｎ／ ｍ， ０为汞接 触角 ， 此试 验 中为 １ ４ ０ 。 ， ｄ
为孔径 ， “ １ Ｔ Ｉ ， 由公 式 （ １ ） 可 以看 出 ， 进 汞 压 力 和孑 Ｌ 径
是 一一 对应 的关 系 ， 假 定 表 面 张力 和 接 触 角 都不 变 时， 进 汞压 力和 孔径 成反 比 ， 可 以通 过控制 进 汞压力 来 确定 孔径 的大 小 和 孑 Ｌ 隙 的分 布 ． 施 加 一 定 的进 汞
压力 ， 汞就 只能进 入对 应 孔径 的孑 Ｌ 隙中 ， 在 本 次试验 中， 进 汞压 力范 围为 ６ ． ５ ５ ６ ９ ～１ ９ ９ １ ９ ０ ． ５ ５ ８ ６ ｋ Ｐ ａ ， 根 据公 式 （ １ ） 可 以 得 出该 试 样孔 径 范 围 为 ２ ２ ４ ４ ２ ６ ．
第 ２ ８卷 第 １ 期
Ｖ０ １ ． ２ ８ ＮＯ ．１
湖 北 工 业 大 学 学
报
２ Ｏ１ ３年 Ｏ ２月
Ｆｅ ｂ ．２ ０１ ３
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｕ ｂ ｅ ｉ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
［ 文章 编 号］ｌ Ｏ Ｏ ３ —４ ６ ８ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ２ ２ — ０ ３
第三章 土的结构和土体
• 2.胶结连结 • 土粒由某些物质胶结起来形成的连结称胶结连 结，通常都是在较长的地质年代中逐渐形成的， 胶结力都很强。 • 3.毛细水连结 • 砂土在潮湿时，砂粒、粉粒间有毛细水弯液 面力（或称毛细压力）作用于土粒，将土粒暂时 地连结在一起；但当砂土饱水或干燥失水时，这 种连结就消失了。
• 4.冰连结
•
•
•
基质状结构是以连续分布的无定向性的粘土矿物片为主 体 ，其中含有一些分布不规则、互不接触的粉粒和砂粒。 粘土矿物片以面－面、边－面、边－边三种方式排列，孔 隙分布均匀，无定向性，所以土的工程地质性质也无各向 异性。 凝块状结构是胶结物(主要以游离氧化物为主)将结构 单元体(单粒和集粒)覆盖在其内,表面无法看集粒内的结构 状态,外表似整体团块状,集粒内的孔隙多呈封闭状态。
• 并普遍存在于细粒土中。具有化学连结的土， 强度较高，压缩性较低。 • 2.静电连结
•
电性不同的两种粘粒直接吸引，便产生 静电连结。
这种连结类型是带负电荷的粘粒被介于 其间的阳离子静电吸引而形成的。
• 3.离子-静电连结
•
• 4.毛细力连结
•
毛细力连结存在于土的三相交界面上，在毛细 管内的水形成弯液面，弯液面力使土粒靠近而连 结。
薄片，在显微镜下观察其细微结构及微层理等；
•
二是采用X射线能谱和波谱分析法，定性和定量地测 定研究试样中矿物颗粒地排列方向特征；
• •
三是采用压汞法，定量测定土中孔隙的大小及多少； 四是目前应用较多，效果较好的方法——电子显微镜 法，观察细粒土的微观结构，并能直接观察粘粒的矿物成
分、结晶形状、颗粒间的接触连结关系和结构单元体的形
态，从而得到各细粒土的结构类型。
第四节 土体结构
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土体微观结构研究进展
土壤微观结构是土壤物理、化学以及生物学的基础，对于土壤的物质转化、水分运动、养分回收以及生物生长发育等过程起到至关重要的影响。
本文将对土体微观结构研究的现
状及进展进行综述。
传统上，人们通过光学显微镜、扫描电镜等方法对土体微观结构进行研究。
如光学显
微镜可以对土壤中的颗粒、孔隙等微观结构进行观察和计数，并得出土壤颗粒分布、土壤
孔隙结构、孔隙连通性以及孔隙分布、孔径分布等信息。
扫描电镜可以对土体中的微观结
构进行更加深入的分析，如分析土壤微生物在土体中的位置、土壤微生物的结构形态等。
然而，现代科技手段的不断发展，使得土体微观结构研究的方法也不断更新。
近年来
光学显微镜、扫描电镜等方法已经不能完全满足对土体微观结构的深入研究。
新的研究手
段主要包括以下几个方面：
2.1.同步辐射X射线显微镜
同步辐射X射线显微镜（SRXRF）通过分析元素分布情况来研究非晶态物质，其特点是能够在更高的分辨率下观察非晶态物质的结构，如微观结构、结晶化程度以及元素分布等。
这项技术的应用在土体微观结构研究中，可以用来探究土壤有机质、土壤矿物和微生物之
间的空间关系，有助于更好地理解土体微观结构的复杂性。
2.2.原位荧光显微镜
原位荧光显微镜（IFM）则使用了非侵入性荧光探针来研究微生物的活动和代谢过程，IFM技术可以在实时、非破坏性、非侵入性的情况下，观察微生物活动的过程，包括生长、细胞分裂和元素转运等。
这项技术在土体微观结构研究中的应用，可以更准确地探测微生
物空间分布情况、微生物代谢行为、微生物群落组成等。
该技术对于解析土壤微生物界面、微生物-土壤矿物相互作用以及土壤碳循环等重要问题具有重要的意义。
2.3.纳米CT显微镜
纳米CT显微镜具有更高的分辨率，在土体微观结构研究中，可以更好的反应土壤颗粒、孔隙等微观结构，有助于更好地理解土体微观结构的多样性。
3.未来的研究方向
未来的研究方向应是多方面开展综合性研究。
例如结合IFM和SRXRF技术，可以更精
准地探测土体中微生物和矿物之间的相互作用；结合纳米CT和SRXRF技术，更加可靠地反映土体颗粒、孔隙和元素分布之间的关系。
此外，结合地球化学模型和分子模拟模型，也
可以更好地模拟土体微观结构的形成机制、微观尺度下的物质转化机制等。
这些新的研究
方法和模型开发，有助于更加全面深入地研究土体微观结构，以便更好地理解土体的生态环境功能、环境污染过程以及农业生产效益等问题。